微RNAs的生物學特性及相關疾病概述

李 華

(江蘇聯合職業技術學院南京衛生分院 南京衛生學校 210038)

微RNAs (miRNAs) 最初由Lee等人于1993年發現，是一類長度約為18～25個核苷酸的非編碼單鏈RNA。miRNAs廣泛存在于生物界，在進化上十分保守，能參與真核生物基因表達的特異性調控。到目前為止，已經發現人類約有1500個miRNAs基因組，且人類約有60%的mRNA包含miRNAs的結合位點[1]。本文對miRNAs的生物學特性和相關疾病作一概述。

1 miRNAs的生物學特性

1.1 生物合成 miRNAs的生物合成始于由RNA聚合酶II(RNA polymerase II，POL II)催化的miRNAs基因的轉錄過程，轉錄產生幾千個堿基長度的初始microRNAs(pri-microRNAs)。繼而，由RNA酶III核酸內切酶(Drosha)及其輔助因子DGCR8(DiGeorge syndrome critical region 8)連同其他蛋白形成的復合物對pri-microRNAs進行剪切，生成一種具有發卡結構的長度約為60～100個核苷酸的miRNAs前體(pre-miRNAs)。

Pre-miRNAs在Exportin-5蛋白(RAN-GTP依賴性轉運蛋白)的幫助下，從細胞核運輸到質膜。Pre-miRNAs一旦進入細胞質，就會在RNA酶III核酸內切酶(Dicer)、人類免疫缺陷病毒活化反應RNA 結合蛋白(the human immunodeficiency virus transactivating response RNA binding protein, TRBP)和argonaute2蛋白(AGO2)的共同作用下，最終產生18～25個核苷酸長度的成熟雙鏈miRNAs，即miRNA：miRNA*(其中的miRNA*表示miRNA的互補鏈)。隨后，雙鏈miRNAs中的一條鏈被降解，另外一條鏈以不完全互補配對的方式被裝載到RNA誘導的沉默復合物(RNA-induced silencing complex，RISC)中形成新的復合物miRNA-RISC，從而成為一個成熟的有生物學功能的miRNAs。miRNA-RISC復合物能識別并結合到mRNAs的特定序列如3′-非翻譯區(3′-UTR)上，并通過包括對翻譯和延長階段的抑制在內的多種機制，或使靶mRNA脫腺苷化，或將核酸內切酶裂解，來促使基因沉默，減少相應蛋白質的表達[1]，最終實現miRNAs的各種生物學調節功能。

1.2 生物學調節功能 miRNAs調節多種生物學過程，包括細胞凋亡、胰島素分泌、脂質代謝、干細胞分化、抗原呈遞等[2]。

1.2.1 調節細胞凋亡 細胞凋亡指由細胞發生自主且有序的死亡過程，具有維持生物機體內環境穩定的作用。miRNAs的表達異常可導致細胞凋亡失敗，最終導致癌癥的發生。miRNAs在細胞凋亡的確切作用機制尚未完全研究清楚，但Cimmino等的研究顯示，miR-15和miR-16兩種miRNAs誘導的細胞凋亡通過錨定Bcl2蛋白來實現。miR-330能通過降低細胞轉錄因子E2F1介導的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)的磷酸化來誘導人前列腺癌PC-3細胞凋亡[2]。

1.2.2 調節胰島素分泌 糖尿病是世界上最常見的代謝紊亂性疾病。研究發現miRNAs參與胰島素分泌的各個生理過程以及體內葡萄糖的平衡。miR-375在胰島β細胞的增殖和分裂過程中都起著至關重要的作用。miR-375過表達可抑制葡萄糖誘導的胰島素分泌；而內源性的miR-375被抑制則促使胰島素分泌增強。且miR-375直接影響胰島β細胞對胰島素的胞吐過程。miR-9是胰島素釋放的負性調節因子。敲除β細胞中miR-24、miR-26、miR-182和miR-148可導致胰島素mRNA的水平降低[2]。

1.2.3 調節脂質代謝 miRNAs是脂質代謝過程中重要的調節因子。miR-143參與調節脂肪細胞的分化，其水平降低會影響甘油三酯的合成。miR-122被抑制后能降低血清膽固醇水平。此外，miR-33a參與膽固醇的轉運和脂肪酸的β-氧化，若被抑制則導致高密度脂蛋白水平的提高。miR-223能通過直接錨定并抑制清道夫β1受體來調節高密度脂蛋白膽固醇的攝取，并通過直接抑制膽固醇合成過程的限速酶3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶來抑制膽固醇的生物合成[2]。

1.2.4 調節免疫 CD34+造血干細胞能表達33種miRNAs，其中miR-155能調節髓系和紅系生成。在胚胎干細胞(ES)中，miRNAs調節多功能轉錄因子SOX2、Nanog和Oct-4，這些轉錄因子在免疫中發揮重要的作用。miR-181a的過表達能降低CD8+T細胞的數量。在B細胞發育的早期敲除miRNAs生物合成所需的Dicer，能阻止前B細胞向原B細胞的轉變。Dicer缺乏還會使T細胞的發育和分化受損，且胸腺 CD8+和CD4+T細胞的數量都減少。Liu等的研究表明，miR-148和miR-152 負調控樹突狀細胞(dendritic cells，DC)的抗原呈遞并抑制細胞因子的產生。抗原特異性T細胞介導的免疫受miR-155抑制，且抑制miR-155能逆轉此作用[2]。

1.2.5 調節造血 miRNAs在血細胞生成過程中的每個階段都發揮至關重要的作用。Dicer是miRNAs生物合成過程中必不可少的酶，它的缺乏會導致胚胎造血干細胞系統受損，從而導致胚胎死亡。miR-15a的過表達能阻止粒細胞和紅細胞的分化。miR-221、miR-222和miR-24能抑制紅細胞生成[2]。

2 與miRNAs相關的疾病

miRNAs控制著人類大多數基因的表達，從而參與許多生理和病理過程。最近的研究發現，miRNAs與腫瘤、遺傳、免疫、神經變性以及心血管疾病的發生有關。

2.1 miRNAs與腫瘤 越來越多的研究表明，miRNAs在腫瘤的發生發展過程中起著關鍵作用。在腫瘤細胞，miRNAs的失調可由多種機制引起，包括編碼miRNAs的染色體區域缺失或擴增、miRNAs靶基因的突變、miRNAs的啟動子表觀遺傳沉默、細胞信號傳導和轉錄因子的失調等。在肺癌患者，miRNA-125A-5p能抑制細胞增殖和誘導細胞凋亡，從而具有抑制腫瘤的轉移和侵襲的關鍵作用。Nishida等則提出miRNA-125A-5p可作為胃癌預后的獨立標志物。但是，Odar K等的實驗表明，在頭頸部鱗癌患者miRNA-125A-5P沒有發生明顯的變化[3]。研究還發現肝癌、肺癌、胃癌和多發性骨髓瘤患者的miR-194降低，且miR-194通過抑制PDK1/ AKT2/ XIAP信號轉導通路來抑制大腸癌的發生[4]。miR-21和miR-210通過誘導癌細胞，使其適應于快速增長時的缺氧條件來直接參與神經膠質瘤的發展和演變[5]。miR-148A通過甲基化來下調鼻咽癌細胞株的數量[6]。而miR-221的表達降低則會增加前列腺癌手術后復發的風險[7]。

2.2 miRNAs與心臟疾病 研究已經明確心肌特異性的miRNAs有5個，包括miR-1、miR-133、miR-206、miR-208和miR-499。實驗室檢測發現，心肌梗塞患者體內miR-1、miR-29、miR-133、miR-146、miR-150、miR-155、miR-208、miR-186、miR-210和miR-451都出現不同程度的上調或下調，它們通過各種路徑誘導細胞凋亡。柯薩奇病毒引起的急性心肌炎患者的心肌組織內miR-155和miR-148a的表達顯著上調。小鼠體內實驗還證明miR-155過表達能通過抑制NF-κB通路來調控柯薩奇病毒引起的免疫反應，從而提高柯薩奇病毒感染小鼠的存活率。冠心病患者與健康對照組相比較，其血清miR-135a水平增加、miR-147水平降低，與炎癥相關的miR-155和與平滑肌細胞相關的miR-145則均減少。

與穩定型心絞痛患者相比較，不穩定型心絞痛患者的miR-134、miR-370和miR-198水平顯著上調，并且這種變化可以用來預測該病的臨床結果。動脈粥樣硬化閉塞性脈管炎患者血清中miR-21、miR-130a、miR-27b和miR-210增加，而miR-221和miR-222均降低。心臟衰竭時，多個miRNAs表達水平異常。其中miR-423-5p與心衰的關聯性最密切；miR-126能刺激心臟新血管形成并改善心功能。miR-423-5p的水平升高則與擴張型心肌病的嚴重程度有關[1]。

2.3 miRNAs與神經系統疾病 缺氧缺血性腦損傷時，miR-9參與負性調控腦組織中少突膠質細胞系基因1，從而影響后者在缺氧缺血性腦損傷和髓鞘修復中的作用[8]。在神經退行性疾病阿爾茨海默氏病(Alzheimer′s Disease，AD)大鼠體內，miR-26b水平顯著升高，且miR-26b在大鼠神經元過表達可導致DNA復制和細胞周期的異常，同時還使tau蛋白(一種微管相關蛋白)磷酸化增加，這最終導致神經細胞的凋亡。tau蛋白磷酸化和細胞周期的異常是AD患者腦神經元的典型特征[9]。此外，Wu等還發現小鼠神經損傷后miR-431通過沉默Wnt/β-catenin信號通路(Canonical Wnt/β-catenin pathway)的拮抗劑Kremen1來促進軸突再生長，從而確定了miR-431作為軸突再生長的重要調節器和治療靶點[10]。

2.4 miRNAs與消化系統疾病 研究發現，潰瘍性結腸炎患者體內miR-20b、miR-99、miR-203、miR-26b和miR-98的水平上調超過10倍，miR-125的水平上調超過5倍。而miR-141則通過錨定趨化因子CXCL12β來參與結腸炎炎癥過程中炎癥細胞的遷移[11]。miRNA-122在肝臟特異性表達，并在脂肪酸代謝過程中起著至關重要的作用，它能通過結合到丙型肝炎病毒(HCV)的5′-UTR來增強其復制[12]。

2.5 miRNAs與血液系統疾病 檢測結果發現，在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)患者體內miR-22、miR-29、miR-125和miR-126水平往往失調；急性早幼粒細胞白血病(Acute Promyelocytic Leukemia，APL)患者體內miR-92a水平上調，且miR-92a被抑制后能降低急性早幼粒細胞白血病細胞系(HL-60)細胞的分裂增殖。

2.6 miRNAs與呼吸系統疾病 急性肺損傷時，miR-127能作用于巨噬細胞免疫球蛋白受體FcγRI(CD64)，從而使巨噬細胞釋放的炎癥因子顯著減少，最終促進肺部炎癥的減輕。Wu等通過測定肺結核患者、健康對照組以及鑒別診斷組(包括肺炎、肺癌、慢性阻塞性肺病)患者血清中的91種miRNAs，發現肺結核患者血清內HSA-miR-378、HSA-miR-483-5p、HSA-miR-22、HSA-miR-29、HSA-miR-101和HSA-miR-320b這6種miRNAs的含量明顯異常，且特異性高達90%以上；跟健康對照組比較，慢性阻塞性肺病患者血清中miR-20、 miR-28-3p、miR-34c-5p和miR-100下調，而miR-7上調；miR-21和miR-126的上調均與過敏性哮喘發生和治療相關聯[13]。

2.7 miRNAs與生殖系統疾病 研究表明，與健康對照組比較，多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)患者體內let-7i-3pm、miR-5706、miR-4463、miR-3665、miR-638這5個miRNAs顯著上調，而miR-124-3p、miR-128、miR-29a-3p和let-7c則下調[14]。

2.8 miRNAs與運動系統疾病 Duchenne型肌營養不良癥(Duchenne muscular dystrophy，DMD)的小鼠體內，將作為肌肉特異性基因的miR-486過表達能減少血清肌酸激酶水平，改善細胞膜的完整性，增加肌纖維的大小，并提高肌肉的生理功能[15]。

鑒于在細胞生理及疾病發生、發展過程中發揮的重要作用，miRNAs將有可能成為疾病診斷新的生物學標記以及藥物靶點，給人類疾病的檢測和治療提供新的手段。